第一章 绪论
1.1 铝合金结构的应用
铝合金具有外形美观、重量轻、易于加工成各种型材截面、耐腐蚀性和可回收率高等特点。随着铝合金材料处理的技术进步，在众多可选结构形式中，铝合金结构由于其结构及材料等特性而具有无可比拟的优越性。
自 20 世纪 40 年代以来，建筑业对铝合金结构格外关注，逐步开始应用铝合金结构于工程上并得到广泛推广。目前，依托于世界各地的铝合金空间结构的统计数据显示，现已建成的数量大约有 6000 多座。经过 80 年来的不断发展，国内外学者对铝合金结构展开大量研究，主要从材料特性、试件计算、连接设计、防火设计到铝合金结构的整体计算进行分析，并取得了显著成果。早在 20 世纪 50 年代，英国 Festival 建成的南方银行展览厅屋顶为铝合金球面网壳结构，其跨度达 365 英尺（111.3 米）；英国伦敦飞机库的门架结构，其跨度为 150 英尺（45.7 米）。其他如荷兰 Nieuwegein 办公大楼大厅的铝合金网架结构、荷兰 Zoetermeer 体育中心球形铝合金建筑。同时铝合金结构还广泛应用于如桥梁、储油罐、发电厂、煤棚等工业建设及构筑物中。
目前，国内外的大跨度铝合金结构均采用 Al-Mg-Si 系铝合金材料。这种材料与钢材相比，体现为以下特点:
（1）质量轻、强度高、弹性模量小: 从密度上看，铝合金材料的密度约为 2.6~2.8g/cm3，与钢材密度相比，相当于其密度的 1/3；从抗拉强度上看，铝合金材料的抗拉强度能高达近 300MPa；且相对于钢材的弹性模量而言，铝合金的弹性模量约为钢材的 1/3，因此，铝合金结构的稳定性问题需引起足够重视。
（2）耐腐蚀性能: 铝合金材料的特点在于其表面不需做特殊处理，终身免维护，耐腐蚀性能高，工程应用具有明显优势，如在游泳馆、温室展厅、石油化工、煤炭堆场、海边环境、杆件外露的建筑等领域均得到广泛应用。
（3）易于挤压成型: 根据铝合金的热挤压工艺制作特点，其型材产品可制作为任意断面形状，如制作承重和围护二合一的杆件，在大大减少次结构的用量和减少施工环节的同时，还能有效节约建筑空间。另外，因其主体结构与围护结构的一体化，显现为铝合金的热胀冷缩所引起的差异变形非常小，能有效减少建筑表面产生的破坏，使得建筑防水性能提高，占有明显优势。
.........................
1.2 框架结构焊接节点受力性能研究现状
1.2.1 铝合金焊接连接研究现状
目前已经开发和应用的铝合金焊接技术种类有气焊、电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子弧焊、电阻点焊、滚焊、钎焊、高能密度焊等焊接方法。在某些情况下，也可采用一些特殊的焊接方法，如电渣焊、超声波点焊、摩擦搅拌焊等。随着我国对铝合金试件的需求量不断增大，在各种可靠的铝合金结构建造过程中，焊接逐渐成为铝合金结构主要试件连接方法之一。
1981~1984 年，荷兰代尔夫特大学 TNO 研究中心的 Soetens 教授主持完成了“静力荷载作用下的铝合金结构焊缝连接”研究项目[1]。该项研究项目是当时欧洲铝合金结构焊缝连接静力强度的唯一的基础性研究。其主要研究内容为：铝合金母材及焊缝金属的材料力学性能；焊接工艺对焊接力学性能的影响；对接焊缝强度和焊接热影响区力学性能的试验研究；角焊缝静力强度的试验研究；X 形、T 形铝合金矩形管节点焊缝连接的试验研究。Soetens 较为系统地研究了铝合金结构在静力荷载作用下的焊缝连接强度，并第一次明确地区分了铝合金焊缝连接中焊缝金属的抗拉强度和母材热影响区的抗拉强度，所得到的研究成果为之后的欧洲铝合金结构规范 EC9、英国铝合金结构规范 BS8118 及荷兰铝合金结构规范 NEN6710 的增补修订提供了参照依据。
布伦纳（1995）[2]对 5XXX、6XXX、7XXX 系列等合金进行了焊缝连接性能试验，充分肯定了这些合金的良好可焊性。然而，在焊接热影响区处某些合金的名义屈服强度约降低为母材强度的 50%~55%，抗拉强度约降低了 30%~45%。此外，某些合金经过时效过程，可以恢复其原有强度的一部分，但对于土木工程中常用的 6XXX 系列合金，六个月的自然时效只能恢复其名义屈服强度的 10%。而对于 AlMg5 合金，焊接之后的力学性能基本没有发生变化。显然，铝合金材料在焊接热影响区强度的弱化程度与合金牌号及状态相关。
............................
第二章 焊接铝合金相关理论及材料性能试验研究
2.1 铝合金材料的本构关系模型
在结构中常用的铝合金材料牌号众多，力学性能具有较为显著的差异。即使是同一牌号的合金，当采用不同的热处理工艺或加工硬化工艺时，其力学性能也会有一定的区别。采用合理的材料本构关系模型是对铝合金结构进行理论分析和试验研究得出正确结论的基础。
2.1.1 现有的铝合金本构关系模型
基于国产结构用铝合金 6061-T6 单轴拉伸试验研究的基础上，郭小农（2006）[34]将Baehre 连续模型、Mazzolani, F.M.三段式模型、Ramberg-Osgood 连续模型与试验实测数据进行了分析比较。发现以上三种本构关系模型基本吻合，只有 Baehre 连续模型在材料由线性过渡到非线性阶段时曲线较低。并选用 Ramberg-Osgood 连续模型对单轴拉伸试验数据进行拟合，结果吻合较好。
张铮（2006）[35]对分段理想化模型、Baehre 连续模型、Ramberg-Osgood 连续模型同样以 6061-T6 铝合金为例进行了分析比较。发现分段理想化模型中的两段式模型过分估计弹性段的范围，与试验测出的曲线相差较大；三段式模型虽然与试验测出的曲线吻合良好，
但表达式中参数取值复杂，实际应用较为复杂；Baehre 连续模型将合金的应变硬化程度统一，没有考虑应变硬化程度的不同，实际应用情况不符合；而 Ramberg-Osgood 连续模型与试验测出来的应力-应变曲线最为接近，基本吻合。
............................
2.2 铝合金焊接的基本理论
2.2.1 铝合金的焊接工艺 在土木工程领域的铝合金焊接工艺中，应用最为广泛的两种方法是：钨极氩弧焊（TIG）和熔化极氩弧焊（MIG）。国内外主要的铝合金结构规范，也推荐采用这两种方法。两种焊接方法的区别如下文所示：
（1）钨极氩弧焊（TIG）：要求的焊接设备大而复杂、价格昂贵，焊接热输入大、电流高、能耗高，生产效率较低，一般仅用于较薄焊件（焊件厚度不超过 6mm）的连接。由于在 TIG 焊接过程中，母材和焊缝金属的固-液态转换是一种静态平衡过程，焊接工艺容易控制，成形质量也较易得到保证，焊接接头的强度较高。因此，在航天工业中，对于重要的结构特别是上天结构，部颁标准强制要求必须采用 TIG 焊。
（2）熔化极氩弧焊（MIG）：此焊接方法需要的焊接电流小，生产效率高，对焊件不作厚度上的限制。但由于在 MIG 焊接过程中，母材和焊缝金属的固-液态转换是一种动态平衡过程，一些偶然因素例如施焊者手执焊接的非匀速移动和晃动，均会打破这种动态平衡，使得焊接质量受到影响。因此，一般而言，MIG 焊的接头质量不如采用同种焊丝的TIG 焊的接头质量。但对于较厚的焊件，TIG 焊就无能为力了。
本文材性试验试件均为从大于 6mm 的型材上截下的，为此，本文试验试件所采用的是对焊件厚度不做要求的 MIG 焊。MIG 焊焊接接头包括焊缝熔敷金属区、焊接热影响区和母材区，这些区域具有不同的力学性能。在焊接结构的研究过程中，对焊接接头的力学性能的确定直接影响到对焊接接头连接功能评估结果的准确性。
............................
3.1 试件设计依据....................................... 35
3.1.1 铝合金焊缝连接静力强度基本理论 ......................... 35
3.1.2 铝合金角焊缝的静力强度 ................................ 37
第四章 铝合金框架结构全焊接梁柱连接节点有限元分析 .......................... 69
4.1 有限元模型的建立...................................... 69
4.1.1 模型的建立和单元选取 ............................... 69
4.1.2 网格划分 ............................. 70
第五章 参数分析与机理分析 .............................. 105
5.1 参数分析............................ 105
5.1.1 典型算例 .......................... 105
5.1.2 轴压比 ....................... 106
第五章 参数分析与机理分析
5.1 参数分析
为了研究不同参数对铝合金框架全焊接连接节点受力性能的影响，本节利用第四章选定的有限元方法，对影响节点试件受力性能的轴压比、节点域厚度、焊接强度、节点类型和合金类型等因素进行了参数分析。
5.1.1 典型算例
选用的梁柱节点类型有：全焊接无加劲肋节点和全焊接有加劲肋节点；柱截面尺寸：150mm×150mm×7mm×10mm，梁截面尺寸：280mm×100mm×6mm×8mm；轴压比为 0.2；热影响区材料强度的降低可采用单一的折减系数hazρ 来考虑，焊接热影响区材料强度折减系数hazρ 的取值：6061-T6 合金取 0.5，6061-T4 合金取 1。单调加载的 Ramberg-Osgood 连续模型的 n 值按照第四章确定的郑秀梅[39]提出的分段模型进行计算。铝合金材料性能的各指标具体如表 5-1 所示。
.........................
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.1.1 焊接铝合金材料性能及本构关系研究 对 6061 状态为 T4 和 T6 的铝合金进行了垂直于焊缝轴线方向的对接焊缝拉伸试验、平行焊缝轴线方向的对接焊缝拉伸试验，对焊接铝合金的材料性能有了较为深刻地了解和直观地认识，得出了很多有用的结论，简要总结如下：
1 对本文所研究的 6061-T6 热处理合金和 6061-T4 非热处理合金，在临近焊缝的热影响区材料的力学性能都存在弱化现象，材料强度有一定程度的降低，6061-T6 合金弱化程度更大；但在另一方面，焊接热影响区材料的延性则高于母材材料的延性，这主要是因为是焊接热输入抵消了热处理所带来的强度提升和延性降低。
2 对于本次试验所采用的 6061-T6 合金和 6061-T4 合金的垂直焊缝轴线方向的对接焊缝拉伸试验试件，铝合金焊接熔敷金属的抗拉强度与焊接热影响区的抗拉强度比较接近。受板材厚度及焊接工艺等因素的影响，以及在不同试件中焊缝成形质量的影响，试件破坏出现在焊接区域或焊接热影响区两种不同的位置。破坏发生在焊缝区时，连接具有较为明显的延性破坏特征；破坏发生在热影响区时，连接具有较为明显的延性破坏，宜采用母材强度高于焊丝材料强度、焊丝材料强度高于焊接热影响区材料强度的原则进行焊接加工。
3 试验结果表明，对于目前在国内外土木工程中应用最为广泛的 6061-T6 合金，焊接热影响区内材料的抗拉强度和名义屈服强度比焊接前都有较大幅度地折减。其中厚度 8mm的试件受影响较为严重，抗拉强度约为母材初始抗拉强度的 79%，名义屈服强度的折减程度更为严重，仅能达到母材初始值的 62%。而 6061-T4 合金在焊接热影响区材料的抗拉强度约为母材初始抗拉强度的 89%，名义屈服强度的折减程度仅能达到母材初始值的 93%。
参考文献（略）